异军突起的IPTV及相关技术

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  宽带网络数字电视,又称IPTV,即交互式网络电视,是一种利用宽带互联网、多媒体等多种技术于一体,向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的崭新技术。它能够很好地适应当今网络飞速发展的趋势,充分有效地利用现有宽带网络资源。
  
  IPTV的业务及其特点
  
  1、IPTV的业务
  IPTV是建立在宽带网络基础之上的业务。随着宽带用户逐步增多,以影视服务为主的宽带流媒体服务成为宽带增值业务中重要的组成部分,获得了广大用户的喜爱。IPTV被运营商认为是当前宽带网络上最具发展潜力、最具盈利前景的热点宽带增值应用之一。
  就宽带网络覆盖的用户来说,目前主要是计算机终端用户,而中国的电视机普及率远远高于PC机。因此,作为家庭接入的宽带网,如果能覆盖到电视终端,那么其潜在的用户市场将大大拓展。因此,运营商需要逐渐从对PC终端的关注转向对电视机终端的关注。同时,对于宽带流媒体服务来说,也需要进行接入终端的扩展,从现有的PC终端扩展到机顶盒终端,使宽带网络逐步进入用户的家庭娱乐领域,成为生活娱乐的一部分。因此开展基于电视机终端、使用机顶盒、以视频服务为主的IPTV服务,成为运营商关注的焦点和下一步宽带网络发展的关键。
  IPTV可以实现媒体服务者和消费者互动,能根据用户的选择提供内容广泛的多媒体服务。利用机顶盒,用户在电视机前按动遥控器,就可以通过宽带网络进行影视节目点播、交互电视、收听音乐、信息查询等操作,进而实现家庭购物、远程医疗、电视教育、电子函件、旅游指南、订票预约、股票交易等服务,极大地提高和改善生活质量和工作效率。IPTV是一项极具市场前景的增值应用。首先,其用户是电视用户,潜在消费群体巨大;其次,它能够充分利用现有网络资源,以增值运营带动宽带接入;再次,通过IPTV能够提高运营商形象,提升用户忠诚度,增强企业竞争力。
  
  2、IPTV的特点
  IPTV集互联网、多媒体、通信等多种技术于一体,在技术上具有以下特点:
  首先,业务开展主要基于宽带IP网,与有线网需要进行双向改造相比,先天就有交互性优势。在传统的广播方式里,所有的观众只能被动地接收,无法与节目内容互动,但IPTV与这种一点对多点的传播方式不同,它可提供建立在通信网络上的互动性视频服务,让用户可以有多种选择。例如,用户可以在任何时间点播那些已经播过但自己仍非常感兴趣的节目,可以对节目进行快进、慢放等调节。
  其次,除了能提供单向类似电视的频道制视频直播之外,利用互联网信息资源的优势,IPTV还可以为用户提供包括数字电视节目、可视电话、VOD、互联网浏览、网络游戏、网上购物和远程教育等在内的交互式多媒体信息服务,提供丰富的信息。
  再次,IPTV平台可开发性强,能够在改动量小的情况下支持不同的视频编码标准。随着视频压缩技术的发展,现在,视频编码效率已经大大提高,这使得在同样带宽条件下视频质量迅速提升,有效节省了网络带宽。
  
  IPTV涉及的技术
  
  IPTV应用的实质是流媒体在宽带网络上的传输和分发,因此IPTV的应用和发展是好几种关键技术同时应用的结果。IPTV涉及的主要技术包括:宽带接入技术、视频编解码、流媒体、IP组播路由和中间件技术等。
  
  1、宽带接入技术
  快速发展的宽带接入技术,为媒体流的传送提供了通路。在目前所使用的宽带接入技术中,DSL是一种能够通过普通电话线提供宽带数据业务的技术。大家常用的ADSL(AsymmetricalDigitalSubscriberLine,非对称数字用户环路)技术可以提供下行8M的带宽,ITU-T的G.992.1中对ADSL的标准已经有详细的定义。而随着技术的快速发展,ITU-T又分别在2002年6月和2003年1月推出了两个新一代ADSL标准:ADSL2(G.992.3)和ADSL2+(G.992.5)。ADSL2支持的最大上下行速率1.3M/15M,而ADSL2+支持的最大上下行速率可达1.3M/24M。更高的带宽使传输大量的流媒体传输成为可能。
  
  2、IP组播路由技术
  IPTV根据视频流的两种接收方式:广播接收和点播接收。不同接收方式的承载技术也不同。广播接收是非交互的,对IP网络的承载技术提出了多播(Multicast)要求。点播接收具有实时交互特点,要求IP网络承载技术能将视频流推送到用户接入网络。IP组播将IP数据包从一个源发送到多个目的地,即将信息的拷贝发送到一组地址的所有接收者IP组播将IP数据包传输到一个构成组播群组的主机集合,群组的各个成员可以分布于各个独立的物理网络;组播群组成员之间的关系是动态的,成员可以随时加入或退出。IP组播能够有效节省网络带宽和资源,方便网络容量的管理和控制开销,大大减轻发送服务器的负荷,减少主干网出现拥塞。
  IP组播路由技术实现了IP网络中点到多点的高效数据传输。可以有效的节约网络带宽、降低网络负载。组播是一种允许一个或多个发送者(组播源)同时发送相同的数据包给多个接受者的一种网络技术,是一种能够在不增加骨干网负载的情况下,成倍增加业务用户数量的有效方案,因此成为当前大流量视频业务的首选方案。在IPTV的应用中,利用IP组播路由技术,可以有效的分发媒体流,减少网络流量。
  CDN(ContentDeliveryNet-work,内容发布网络)是一种用于视频内容分发的网络,它叠加在IP基础网络之上,通过将内容发布到网络边缘,实现就近的内容提供服务,其工作原理是在网络各节点放置内容缓存服务器,CDN中心控制系统实时地根据网络流量和各节点的连接、负载状况以及到用户的距离等信息,将用户的请求导向最佳的服务节点上,从而大大缩短用户的请求响应时间,并提高数据传输的稳定性。
  目前接入设备通过IGMPProxy功能,实现了用户的按需加入、离开等功能。这样既实现了媒体流的按需分发,而且减少了组播对带宽的过渡占用。随着IP组播技术在综合接入设备上的应用,大多数的设备都支持IGMPsnooping和IGMPProxy功能。
  IGMPsnooping是解决IP组播在二层网络设备上广播泛滥的一种基本解决方法。通过在二层网络设备上帧听用户端和组播路由设备间的IGMP协议消息,获取组播业务的用户列表信息,将组播数据根据当前的用户信息进行转发,从而达到抑制二层组播泛滥的目的。
  IGMPproxy通过代理机制为二层设备的组播业务提供了一种完整的解决方案。实现了IGMPproxy的二层网络设备,对用户侧承担Server的角色,定期查询用户信息,对于网络路由侧又承担Client的角色,在需要时将当前的用户信息发送给网络。不仅能够达到抑制二层组播泛滥的目的,更能有效地获取和控制用户信息,同时在减少网络侧协议消息以降低网络负荷方面起到一定作用。
  
  3.视频编码技术
  由于视频数据的庞大,未压缩的数字视频数据量对于目前的计算机和网络来说无论是存储或传输起来都是不现实的,因此在多媒体中应用数字视频的关键问题是数字视频的压缩技术,而视频是由连续的图像帧形成的图像序列,由于景物变换速度的限制,相邻帧之间存在很高的相关性,因此利用运动补偿技术结合变换编码,构成了序列图像编码的主要方法。
  目前,ITU、ISO等组织制定了许多成功的视频图像编码标准,如以JPEG和JPEG-2000为代表的静止图像压缩标准。以MPEG-1、MPEG-2为代表的中高码率多媒体数据编码标准。以H.261、H.263和H.264为代表的低码率、甚低码率运动图像压缩标准,以及覆盖范围更宽、面向对象应用的MPEG-4,此外还有我国自主的第二代信源编码标准AVS。H.264是ITU-T的VCEG和ISO/IEC的MPEG联合视频组JVT开发的视频编码标准,它既是ITU-T的H.264,也是ISO/IEC的MPEG-4 Part10;AC-1是微软的视频编码标准,是WMV9向编解码标准组织提交资料后采用的编码标准名称。虽然,目前还没有相应的国家标准规定IPTV采用的数字编码技术,但无论是MPEG-4、H.264,还是WMV9编码技术都已经达到IPTV应用的要求。如果配合新的宽带接入技术,完全可以实时传输任何编码的流媒体视频节目。这些标准之间在码率、图像质量、实现复杂度、差错控制能力、延时特性及可编辑性上有很大的差别,从而满足了各种多媒体应用。
  传统的基于块的混合视频编码框架,具体包括帧内预测、帧间预测、变换、量化和熵编码等一系列技术来实现高效率的视频编码。帧间预测使用基于块的运动矢量来消除图像间的冗余,帧内预测使用空间预测模式来消除图像内的冗余。再通过对预测残差进行变换和量化消除图像内的视觉冗余,最后,运动矢量、预测模式、量化参数和变换系数等用熵编码进行压缩。 测试结果表明,H.264比H.263++平均编码比特率要少48.80%,比MPEG-4ASP要少38.2%,相对H.263约提高一倍压缩效率。H.264的码流结构网络适应性强,增加了纠错恢复能力,能够很好地适应IP和无线网络的应用。另外,微软公司开发WMV9,压缩效率和重建图像质量与H.264不相上下,目前正在申请成为国际标准。我国现在正在制定具有自主知识产权的音视频编解码系统(AVS)标准,其编码效率和重建图像质量也与H.264相当。正是视频压缩技术的发展,使宽带网上传输高质量视频信号成为可能。
  
  4.流媒体技术
  流媒体(Streaming Media)是指在网络中使用流式传输技术的连续时基媒体,如音频、视频和其它多媒体文件。流媒体技术一般是指把连续的影像和声音信息经过压缩处理后放在流媒体服务器上,让用户一边下载一边观看、收听,而不需要等整个压缩文件下载到自己机器后才可以观看的视频/音频传输、编解码技术。流媒体技术不是单一的技术,它是建立在很多基础技术之上的技术。流媒体实现的关键技术是流式传输。流媒体的主要技术特征就是采用流式传输,即通过网络将流媒体内容传送到客户机。大多数流媒体应用采用基于组播的应用层协议,如RTP/RTCP.RTP是一种提供端对端传输服务的实时传输协议,用来支持在单目标广播和多目标广播网络服务传输实时数据,而实时数据的传输则由RTCP协议来监视和控制。
  
  5.网络电视机顶盒
  IPTV的基本构想之一就是把电视播放和互联网结合起来,使用户在收看电视的同时,能够通过网络获得信息。现在这项功能是通过机顶盒来实现的。网络电视机顶盒(NetTVSTB)可以具有以下功能:内置操作系统,可以通过红外线遥控器来遥控操作;对加密电视信号进行解密;将数字视音频信号进行解压缩;用户身份识别和付费;可以下载运行游戏和软件;对同一频道上的不同节目进行分离;可连接互联网、收发电子邮件等。
  STB已在欧洲和美国已建成的交互电视系统中得到了广泛的应用,在我国也具有广阔的应用前景。目前我国正在广播电视系统对有线电视网进行着整体数模转换,其中网络电视机顶盒技术就是其中一项关键的技术。虽然IPTV成为互联网进化的驱动力,但面临的一系列问题正成为IPTV进一步发展的阻力。这其中的一个重要问题就是版权保护问题(DRM)。
  
  6.中间件技术
  所谓中间件(Middleware)是一种独立的系统软件或服务程序,分布式应用软件借助这种服务程序在不同的技术之间共享资源,中间件位于客户机服务器的操作系统之上,管理计算资源和网络通信。而IPTV的中间件(IPTV Middleware)是居于IPTV机顶盒内部实时操作系统与应用程序中间的软件部分,它以应用程序接口API的形式存在,整个API集合被存储在机顶盒的存储设备中。IPTV中间件封装了所有的业务接口,而只向机顶盒提供一个统一的、规范化的接口。
  一方面,中间件能让IPTV产业的整合成本大大降低,让运营商增加新业务的速度明显加快。另一方面,中间件的使用将对提升用户体验颇有裨益。统一的中间件可以做到屏蔽不同系统提供商间设备的差异,让用户在使用IPTV的时候感受一致的服务,中间件还可以改变一些低端机顶盒原有的应用服务体验,比如使用B/S结构浏览器的机顶盒对非视频信息的呈现明显缺乏生动性,而中间件则可以融入一些专业的全动画界面来改变这一状况。
  IPTV 中间件架构分为2 部分,一部分为运行在机顶盒中的Java 中间件客户端,另一部分为运行在后台的服务器。在这种结构下,充分利用了机顶盒的本地智能,将数据下载到本地,进行本地显示和执行。这样,在用户操作EPG 时,大大减小了与网络的交互,提高了反应速度。
  
  IPTV在国内的发展
  
  2005年5月,广电总局发给了上海文广中国第一块IPTV牌照。而由央视联台多家企业组建的中视网络迅速圈地,有望获得第二张牌照。2005年5月27日,“央视网络电视”在河北省宽带门户网站———“燕赵新天地”落地推广。此时,电广传媒、赛迪传媒、东方明珠、歌华有线、上海贝岭、广电网络等八大上市的广电运营企业都在蓄势待发。
  在电信方面,广东电信正在推广网络电视业务,目前用户增长迅速,安装模式也比较灵活,如“星空影院”等。已安装ADSL宽带业务的消费者只需再交纳100元初装费和800元的“视频MODEM”的“押金”,以及每月交纳50元的收视费即可,前三个月均免费试看。虽然广电总局在节目播放上有审批权,但在实际市场操作中电信方面实际上是走到了前面。中国网通在黑龙江、辽宁也开通了IPTV的商用测试系统。
  中国的彩电巨头们也一直努力把握未来的电视产业方向,以摆脱利润低薄的现状,在竞争中获得优势。彩电企业在选择发展数字电视与网络电视时表现出都不放弃的思路。对于IPTV,2005年初,长虹与中国电信签订战略合作备忘录,明确了双方在视讯、IPTV和互联星空等领域的合作意向,展开从终端到渠道的全方位合作,终端层面的合作主要涉及可视电话终端解决方案及IPTV终端解决方案等。
  盛大网络寄希望于借助IPTV在更大范围内推广它的网游相关产品,并且与长虹就IPTV开展了合作。UT斯达康等也对IPTV雄心勃勃,它于2001年底开始对IPTV市场进行跟踪与技术研发,是商用IPTV系统和终端的全面供应商,其产品在全球都有使用。
  
  结束语
  
  基于IP协议的网络和图像信息处理技术的发展,使得采用基于IP协议的网络提供IPTV业务成为可能。无论是Internet网络运营者,还是内容信息提供者,对该业务均寄予很高的期望。网络运营者期望着该业务成为Internet上的一个杀手锏级应用,并为Internet带来巨大的经济利益。IPTV业务本身所具有的交互性,提供业务的灵活性等优势将促使该业务在某种程度上的发展。但也不能不注意到IPTV业务在其发展初期还存在着一些问题,可能会阻碍该业务迅猛地发展。IPTV业务可为用户提供按需内容信息的特点将使该业务成为目前电视(TV)业务很好的补充,但短期内不会取代目前电视业务的地位。IPTV业务和电视业务将在很长一段时间内共存。IPTV业务是否可成为Internet的杀手锏级应用还有待时间的检验。
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